【C语言(六)】
深入理解指针(一)
一、内存和地址
1.1、内存
在讲内存和地址之前，我们想有个⽣活中的案例：
假设有⼀栋宿舍楼，把你放在楼⾥，楼上有100个房间，但是房间没有编号，你的⼀个朋友来找你玩， 如果想找到你，就得挨个房⼦去找，这样效率很低，但是我们如果根据楼层和楼层的房间的情况，给 每个房间编上号，如：
有了房间号，如果你的朋友得到房间号，就可以快速的找房间，找到你。
⽣活中，每个房间有了房间号，就能提⾼效率，能快速的找到房间。
如果把上面的例子对照到计算中，又是怎么样呢？
我们知道计算上CPU（中央处理器）在处理数据的时候，需要的数据是在内存中读取的，处理后的数 据也会放回内存中，那我们买电脑的时候，电脑上内存是8GB/16GB/32GB等，那这些内存空间如何高效的管理呢？
其实也是把内存划分为⼀个个的内存单元，每个内存单元的大小取1个字节。
计算机中常见的单位（补充）：
⼀个比特位可以存储⼀个2进制的位1或者0
其中，每个内存单元，相当于⼀个学⽣宿舍，一个字节空间里面能放8个比特位，就好比同学们 住的八人间，每个人是⼀个比特位。 每个内存单元也都有⼀个编号（这个编号就相当 于宿舍房间的门牌号），有了这个内存单元的编 号，CPU就可以快速找到一个内存空间。生活中我们把门牌号也叫地址，在计算机中我们 把内存单元的编号也称为地址。C语言中给地址起 了新的名字叫：指针。所以我们可以理解为：内存单元的编号 == 地址 == 指针
1.2、如何理解编址
CPU访问内存中的某个字节空间，必须知道这个字节空间在内存的什么位置，而因为内存中字节很多，所以需要给内存进行编址(就如同宿舍很多，需要给宿舍编号⼀样)。
计算机中的编址，并不是把每个字节的地址记录下来，而是通过硬件设计完成的。
钢琴、吉他 上面没有写上“都瑞咪发嗦啦”这样的信息，但演奏者照样能够准确找到每⼀个琴弦的每⼀个位置，这是为何？因为制造商已经在乐器硬件层⾯上设计好了，并且所有的演奏者都知道。本质是⼀种约定出来的共识！
硬件编址也是如此：
首先，必须理解，计算机内是有很多的硬件单元，而硬件单元是要互相协同工作的。所谓的协 同，至少相互之间要能够进行数据传递。但是硬件与硬件之间是互相独立的，那么如何通信呢？答案很简单，用"线"连起来。 而CPU和内存之间也是有大量的数据交互的，所以，两者必须也⽤线连起来。不过，我们今天关心⼀组线，叫做地址总线。
我们可以简单理解，32位机器有32根地址总线，每根线只有两态，表示0,1【电脉冲有无】，那么 ⼀根线，就能表示2种含义，2根线就能表示4种含义，依次类推。32根地址线，就能表示2^32种含 义，每⼀种含义都代表一个地址。地址信息被下达给内存，在内存上，就可以找到该地址对应的数据，将数据在通过数据总线传入CPU内寄存器。
二、指针变量和地址
2.1、取地址操作符(&)
理解了内存和地址的关系，我们再回到C语言，在C语言中创建变量其实就是向内存申请空间，比如： 
比如，上述的代码就是创建了整型变量a，内存中申请4个字节，⽤于存放整数10，其中每个字节都有地址，上图中4个字节的地址分别是： 
那我们如何能得到a的地址呢？这里就得学习⼀个操作符(&)-取地址操作符
int main()
{
int a = 0x11223344;
printf("%p\n", &a);
return 0;
}
按照我画图的例子，会打印处理：006FFD70，&a取出的是a所占4个字节中地址较小的字节的地
址。
虽然整型变量占用4个字节，我们只要知道了第⼀个字节地址，顺藤摸瓜访问到4个字节的数据也是可行的。
2.2、指针变量和解引用操作符(*)
2.2.1、指针变量
那我们通过取地址操作符(&)拿到的地址是⼀个数值，比如：0x006FFD70，这个数值有时候也是需要存储起来，方便后期再使用的，那我们把这样的地址值存放在哪里呢？答案是：指针变量中。
int main()
{
int a = 0x11223344;
int* pa = &a;
*pa = 0;
return 0;
}指针变量也是一种变量，这种变量就是用来存放地址的，存放在指针变量中的值都会理解为地址。
2.2.2、如何拆解指针变量
我们看到pa的类型是 int* ，我们该如何理解指针的类型呢？
这里pa左边写的是 int* ， * 是在说明pa是指针变量，而前面的int是在说明pa指向的是整型(int)类型的对象。
那如果有⼀个char类型的变量ch，ch的地址，要放在什么类型的指针变量中呢？
2.2.3、解引用操作符
我们将地址保存起来，未来是要使用的，那怎么使用呢？
在现实生活中，我们使用地址要找到⼀个房间，在房间里可以拿去或者存放物品。
C语⾔中其实也是⼀样的，我们只要拿到了地址（指针），就可以通过地址（指针）找到地址（指针）指向的对象，这里必须学习⼀个操作符叫解引用操作符(*)。
int main()
{
int a = 0x11223344;
int* pa = &a;
*pa = 0;
return 0;
}
int main()
{
int a = 0x11223344;
char* pa = &a;
*pa = 0;
return 0;
}上面代码中，*pa 的意思就是通过pa中存放的地址，找到指向的空间，*pa其实就是a变量了；所以*pa = 0，这个操作符是把a改成了0.
2.3、指针变量的大小
前面的内容我们了解到，32位机器假设有32根地址总线，每根地址线出来的电信号转换成数字信号后是1或者0，那我们把32根地址线产生的2进制序列当做⼀个地址，那么⼀个地址就是32个bit位，需要4个字节才能存储。
如果指针变量是用来存放地址的，那么指针变量的大小就得是4个字节的空间才可以。
同理64位机器，假设有64根地址线，⼀个地址就是64个⼆进制位组成的⼆进制序列，存储起来就需要8个字节的空间，指针变量的大小就是8个字节。
#include
//指针变量的⼤⼩取决于地址的⼤⼩
//32位平台下地址是32个bit位（即4个字节）
//64位平台下地址是64个bit位（即8个字节）
int main()
{
printf("%zd\n", sizeof(char *));
printf("%zd\n", sizeof(short *));
printf("%zd\n", sizeof(int *));
printf("%zd\n", sizeof(double *));
return 0;
} 
结论：
• 32位平台下地址是32个bit位，指针变量大小是4个字节
• 64位平台下地址是64个bit位，指针变量大小是8个字节
• 注意指针变量的大小和类型是无关的，只要指针类型的变量，在相同的平台下，大小都是相同的。
三、指针变量类型的意义
指针变量的大小和类型无关，只要是指针变量，在同⼀个平台下，大小都是⼀样的，为什么还要有各种各样的指针类型呢？其实指针类型是有特殊意义的，我们接下来继续学习!
3.1、指针的解引用
对比下面2段代码，主要在调试时观察内存的变化。
//代码一
int main()
{
int a = 0x11223344;
int* pa = &a;
*pa = 0;
return 0;
}
//代码二
int main()
{
int a = 0x11223344;
char* pa = &a;
*pa = 0;
return 0;
}
调试我们可以看到，代码1会将n的4个字节全部改为0，但是代码2只是将n的第⼀个字节改为0。
结论：指针的类型决定了，对指针解引⽤的时候有多大的权限（⼀次能操作几个字节）。
比如： char* 的指针解引⽤就只能访问⼀个字节，而 int* 的指针的解引用就能访问四个字节。
3.2、指针+-整数
先看⼀段代码，调试观察地址的变化。
#include
int main()
{
int n = 10;
char *pc = (char*)&n;
int *pi = &n;
printf("%p\n", &n);
printf("%p\n", pc);
printf("%p\n", pc+1);
printf("%p\n", pi);
printf("%p\n", pi+1);
return 0;
} 代码运行的结果如下：
我们可以看出，char* 类型的指针变量+1跳过1个字节，int* 类型的指针变量+1跳过了4个字节。 这就是指针变量的类型差异带来的变化。 结论：指针的类型决定了指针向前或者向后走一步有多大（距离）。
3.3、void*指针
在指针类型中有⼀种特殊的类型是 void* 类型的，可以理解为无具体类型的指针（或者叫泛型指针），这种类型的指针可以用来接受任意类型地址。但是也有局限性， void* 类型的指针不能直接进行指针的+-整数和解引用的运算。
int main()
{
int a = 10;
char ch = 'w';
int* pa = &a;
char* pc = &a;//warning
void* pv = &a;//int*
void* pvc = &ch;//char*
//*pv = 20;//err -> void*类型的指针不能直接进行解引用操作
//pv++;//err -> void*类型的指针也不能进行+-1的操作
return 0;
} 在上面的代码中，将⼀个int类型的变量的地址赋值给⼀个char*类型的指针变量。编译器给出了⼀个警告（如下图），是因为类型不兼容。而使用void*类型就不会有这样的问题。
这里我们可以看到， void* 类型的指针可以接收不同类型的地址，但是无法直接进行指针运算。
四、const修饰指针
4.1、const修饰变量
变量是可以修改的，如果把变量的地址交给⼀个指针变量，通过指针变量的也可以修改这个变量。
但是如果我们希望⼀个变量加上一些限制，不能被修改，怎么做呢？这就是const的作用。
int main()
{
const int a = 10;//a不能被修改了，但是a的本质还是变量,const仅仅在语法上做了限制
//所以我们习惯称a为常变量
//a = 20;//修改-err
printf("%d\n", a);
return 0;
} 上述代码中a是不能被修改的，其实a本质是变量，只不过被const修饰后，在语法上加了限制，只要我们在代码中对a就行修改，就不符合语法规则，就报错，致使没法直接修改a。
但是如果我们绕过a，使⽤a的地址，去修改a就能做到了，虽然这样做是在打破语法规则。
#include
int main()
{
const int n = 0;
printf("n = %d\n", n);
int*p = &n;
*p = 20;
printf("n = %d\n", n);
return 0;
} 输出结果：
我们可以看到这里a确实修改了，但是我们还是要思考⼀下，为什么a要被const修饰呢？就是为了
不能被修改，如果p拿到a的地址就能修改a，这样就打破了const的限制，这是不合理的，所以应该让p拿到a的地址也不能修改a，那接下来怎么做呢？
4.2、const修饰指针变量
在此之前，我们要明确一下 p和*p之间的联系：
①p里边存放的是地址 (a的地址)
②p是变量，有自己的地址
③*p 是p指向的空间
int main()
{
const int a = 10;
//危险的代码
//int* pa = &a;
//*pa = 0;
//printf("%d\n", a);
//const可以用来修饰指针
const int* pa = &a;
//const修饰指针的时候，const可以放在*的左边也可以放在指针的右边
//*pa = 0;
printf("%d\n", a);
return 0;
}
int main()
{
const int a = 10;
const int* pa = &a;//等价于int const* pa = &a;const限制的是*pa
//*pa = 0;//err
int* const p = &a;//const限制的是p
*p = 0;
printf("a = %d\n", a);
return 0;
}结论：const修饰指针变量的时候
• const如果放在*的左边，修饰的是指针指向的内容，保证指针指向的内容不能通过指针来改变。但是指针变量本⾝的内容可变。
• const如果放在*的右边，修饰的是指针变量本身，保证了指针变量的内容不能修改，但是指针指向的内容，可以通过指针改变。
五、指针运算
指针的基本运算有三种，分别是：
• 指针+- 整数
• 指针-指针
• 指针的关系运算
5.1、指针+-整数
因为数组在内存中是连续存放的，只要知道第⼀个元素的地址，顺藤摸⽠就能找到后面的所有元素。
#include
//指针+- 整数
int main()
{
int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
int *p = &arr[0];
int i = 0;
int sz = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);
for(i=0; i 5.2、指针-指针
int main()
{
//指针-指针 = 地址-地址
int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
printf("%d\n", &arr[0] - &arr[9]);//9 - 指针-指针的绝对值是指针和指针之间的元素个数
//指针-指针运算的前提条件是:两个指针指向同一块空间
char ch[20] = { 0 };
printf("%d\n", &ch[0] - &arr[0]);//err
return 0;
}
int my_strlen(char* s)
{
int count = 0;
while (*s != '\0')
{
count++;
s++;
}
return count;
}
int main()
{
//strlen - 求字符串的长度 - 统计的是\0前面出现的字符的个数
int len = my_strlen("abc");//传入的是字符串的首地址
printf("%d\n", len);
return 0;
}
int my_strlen(char* s)
{
char* start = s;
while (*s != '\0')//'\0'的ASCII码值是0
{
s++;
}
return s - start;//指针-指针
}
int main()
{
//strlen - 求字符串的长度 - 统计的是\0前面出现的字符的个数
int len = my_strlen("abc");//传入的是字符串的首地址
printf("%d\n", len);
return 0;
}5.3、指针的关系运算
int main()
{
int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
//使用while循环打印arr的内容
int* p = &arr[0];
//arr是数组名，数组名其实是数组首元素地址，arr<==>&arr[0]
while (p < arr + sz)
{
printf("%d ", *p);
p++;
}
return 0;
}六、野指针
概念： 野指针就是指针指向的位置是不可知的（随机的、不正确的、没有明确限制的）
6.1、野指针成因
1. 指针未初始化
int main()
{
//局部变量如果不初始化，变量的值是随机的
//全局变量如果不初始化，变量的值默认是0 - 静态区
//静态变量如果不初始化，变量的值默认是0 - 静态区
//存放在静态区的变量，如果不初始化，默认值是0
int* ptr;//野指针
*ptr = 20;//非法访问内存
return 0;
}2. 指针越界访问
#include
int main()
{
int arr[10] = {0};
int *p = &arr[0];
int i = 0;
for(i=0; i<=11; i++)
{
//当指针指向的范围超出数组arr的范围时，p就是野指针
*(p++) = i;
}
return 0;
} 3. 指针指向的空间释放
int* test()
{
int a = 10;
return &a;
}
int main()
{
int* ptr = test();
printf("hehe!\n");//为什么这里加了一句代码，*ptr的值就变了
printf("%d\n", *ptr);
return 0;
}6.2、如何规避野指针
6.2.1、指针初始化
如果明确知道指针指向哪⾥就直接赋值地址，如果不知道指针应该指向哪里，可以给指针赋值NULL.
NULL 是C语⾔中定义的⼀个标识符常量，值是0，0也是地址，这个地址是无法使用的，读写该地址会报错。
初始化如下：
#include
int main()
{
int num = 10;
int*p1 = #
int*p2 = NULL;
return 0;
} 6.2.2、小心指针越界
⼀个程序向内存申请了哪些空间，通过指针也就只能访问哪些空间，不能超出范围访问，超出了就是越界访问。
6.2.3、指针变量不再使用时，及时置NULL，指针使用之前检查有效性
当指针变量指向⼀块区域的时候，我们可以通过指针访问该区域，后期不再使用这个指针访问空间的时候，我们可以把该指针置为NULL。因为约定俗成的⼀个规则就是：只要是NULL指针就不去访问，同时使用指针之前可以判断指针是否为NULL。
我们可以把野指针想象成野狗，野狗放任不管是非常危险的，所以我们可以找⼀棵树把野狗拴起来，就相对安全了，给指针变量及时赋值为NULL，其实就类似把野狗栓前来，就是把野指针暂时管理起来。
不过野狗即使拴起来我们也要绕着走，不能去挑逗野狗，有点危险；对于指针也是，在使用之前，我们也要判断是否为NULL，看看是不是被拴起来起来的野狗，如果是不能直接使用，如果不是我们再去使用。
int main()
{
int arr[10] = {1,2,3,4,5,67,7,8,9,10};
int *p = &arr[0];
for(i=0; i<10; i++)
{
*(p++) = i;
}
//此时p已经越界了，可以把p置为NULL
p = NULL;
//下次使⽤的时候，判断p不为NULL的时候再使⽤
//...
p = &arr[0];//重新让p获得地址
if(p != NULL) //判断
{
//...
}
return 0;
}6.2.4、避免返回局部变量地址
不要返回局部变量的地址。
七、assert断言
assert.h 头⽂件定义了宏 assert() ，⽤于在运行时确保程序符合指定条件，如果不符合，就报错终止运⾏。这个宏常常被称为“断⾔”。
上面代码在程序运行到这一行语句时，验证变量 p 是否等于 NULL 。如果确实不等于 NULL ，程序继续运行，否则就会终止运行，并且给出报错信息提示。
assert() 宏接受⼀个表达式作为参数。如果该表达式为真（返回值⾮零）， assert() 不会产生任何作用，程序继续运行。如果该表达式为假（返回值为零）， assert() 就会报错，在标准错误流 stderr 中写⼊⼀条错误信息，显示没有通过的表达式，以及包含这个表达式的文件名和行号。
assert() 的使用对程序员是非常友好的，使用 assert() 有⼏个好处：它不仅能自动标识文件和出问题的行号，还有⼀种无需更改代码就能开启或关闭 assert() 的机制。如果已经确认程序没有问题，不需要再做断言，就在 #include 语句的前⾯，定义⼀个宏 NDEBUG 。
然后，重新编译程序，编译器就会禁用文件中所有的 assert() 语句。如果程序⼜出现问题，可以移 除这条 #define NDBUG 指令（或者把它注释掉），再次编译，这样就重新启用了 assert() 语句。
assert() 的缺点是，因为引入了额外的检查，增加了程序的运行时间。
⼀般我们可以在 Debug 中使用，在 Release 版本中选择禁用 assert 就行，在 VS 这样的集成开发环境中，在 Release 版本中，直接就是优化掉了。这样在debug版本写有利于程序员排查问题，在 Release 版本不影响用户使用时程序的效率。